編者按 使具有一般功能的傳統(tǒng)工業(yè)機器人智能化,是機器人適應(yīng)現(xiàn)代社會需要的一個主要發(fā)展方向。智能機器人技術(shù)涉及柔性加工系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、智能加工系統(tǒng)、柔性自動化和自動工廠等領(lǐng)域,它必將成為21世紀(jì)最先進的技術(shù)之一。目前國際上機器人產(chǎn)業(yè)和機器人研究正走上穩(wěn)健發(fā)展的道路,我國也應(yīng)該大力發(fā)展智能機器人技術(shù)和機器人產(chǎn)業(yè)。為此,我們特邀中國智能機器人專業(yè)委員會的六位專家撰寫文章,分別介紹智能機器人技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢、發(fā)展對策和各種典型應(yīng)用。六篇文章包括: 1.智能機器人技術(shù):發(fā)展趨勢與對策 2.未來機器人技術(shù)的發(fā)展方向 3.空間機器人的研究與應(yīng)用領(lǐng)域 4.移動機器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展問題 5.爬壁機器人的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景 6.多傳感器集成與融合及其在機器人中的應(yīng)用 一、引言 國際機器人產(chǎn)業(yè)與機器人研究,在渡過了80年代后期不景氣的時期之后,出現(xiàn)了復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展的跡象。1994年統(tǒng)計數(shù)字表明,到1993年底,全世界運行的機器人(不包括手工操作和固定順序工業(yè)機器人)約為61萬臺,比1989年增加22萬臺,平均年增長12%,走上穩(wěn)健發(fā)展的道路。在過去幾年中,國內(nèi)外機器人市場也出現(xiàn)回升勢頭。 在這61萬機器人中,日本占60.3%,西歐占16.7%,俄國和東歐占12%,美國占8.2%。我國1993年的機器人裝機臺數(shù)約在1000臺,僅占全世界的0.16%,顯得無足輕重,其中,國產(chǎn)機器人所占比例更低。 目前我國的機器人總數(shù)雖然較少,但國內(nèi)機器人市場需求卻很大,并呈上升趨勢。在國家"七五"和"八五"攻關(guān)以及"863"計劃等的推動下,我國機器人技術(shù)已有較大發(fā)展。智能機器人的研究獲得進展,在機器人技術(shù)型號、機器人應(yīng)用工程和機器人基礎(chǔ)技術(shù)研究等方面取得顯著成績,跟蹤了國際高級機器人技術(shù),縮短了與國際先進水平的差距。1993年,全國機器人裝機臺數(shù)比1991年翻了一番,相對增長率很大。 盡管有人對我國發(fā)展機器人技術(shù)尚存模糊認(rèn)識,但是,越來越多的人已經(jīng)認(rèn)識到,高級機器人(包括工業(yè)機器人和智能機器人)是關(guān)鍵的自動化技術(shù)之一,是我國現(xiàn)代化建設(shè)必不可少的重要技術(shù)。這種高技術(shù)涉及柔性加工系統(tǒng)(FMS)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)、智能制造系統(tǒng)(IMS)、柔性自動化(FA)和自動工廠(AF)等,它將發(fā)展成為21世紀(jì)最先進的技術(shù)之一。機器人的廣泛應(yīng)用已產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟效益:提高勞動生產(chǎn)率,改善勞動條件和工作環(huán)境,預(yù)防生產(chǎn)事故,改善產(chǎn)品質(zhì)量,加速投資回收,以及發(fā)展新的工業(yè)部門(如核能工業(yè)、海洋工程和空間工業(yè))等。我國的機器人技術(shù)和機器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)在國際上占有一席之地。 二、發(fā)展趨勢 進入90年代以來,由于具有一般功能的傳統(tǒng)工業(yè)機器人的應(yīng)用趨向飽和,而許多高級生產(chǎn)和特種應(yīng)用則需要具有各種智能的機器人的參與,因此智能機器人獲得較為迅速的發(fā)展?；仡櫧鼛啄陙韲鴥?nèi)外機器人技術(shù)的發(fā)展,可以歸納出下列一些特點和發(fā)展趨勢: 1.傳感型智能機器人發(fā)展較快 作為傳感型機器人基礎(chǔ)的機器人傳感技術(shù)有了新的發(fā)展,各種新型傳感器不斷出現(xiàn),例如,超聲波觸覺傳感器、靜電電容式距離傳感器、基于光纖陀螺慣性測量的三維運動傳感器,以及具有工件檢測、識別和定位功能的視覺系統(tǒng)等。 多傳感器集成與融合技術(shù)在智能機器人上獲得應(yīng)用。由于單一傳感信號難以保證輸入信息的準(zhǔn)確性和可靠性,不能滿足智能機器人系統(tǒng)獲取環(huán)境信息主系統(tǒng)決策能力。采用多傳感器集成和融合技術(shù),利用傳感信息,獲得對環(huán)境的正確理解,使機器人系統(tǒng)具有容錯性,保證系統(tǒng)信息處理的快速性和正確性。 2.開發(fā)新型智能技術(shù) 十年前,在《電氣自動化》雜志上筆者所介紹的顯遠(yuǎn)或遙現(xiàn)(Telepresence或Telexistance),現(xiàn)在被稱為臨場感。這種技術(shù)能夠測量和估計人對預(yù)測目標(biāo)的擬人運動和生物學(xué)狀態(tài),顯示現(xiàn)場信息,用于設(shè)計和控制擬人機構(gòu)的運動。 虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality,VR)技術(shù)是新近研究的智能技術(shù),它是一種對事件的現(xiàn)實性從時間和空間上進行分解后重新組合的技術(shù)。這一技術(shù)包括三維計算機圖形學(xué)技術(shù)、多傳感器的交互接口技術(shù)以及高清晰度的顯示技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可應(yīng)用于遙控機器人和臨場感通訊等領(lǐng)域。例如,可從地球上對火星探測機器人進行遙控操作,以采集火星表面上的土壤。 形狀記憶合金(SMA)被譽稱為"智能材料"。SMA的電阻隨溫度的變化而改變,導(dǎo)致合金變形,可用來執(zhí)行驅(qū)動動作,完成傳感和驅(qū)動功能?？赡嫘螤钣洃浐辖?RSMA)也在微型機器人上得到應(yīng)用。 多主體機器人系統(tǒng)(MARS)是近年來開始探索的又一項智能技術(shù),它是在單體智能機器發(fā)展到需要協(xié)調(diào)作業(yè)的條件下產(chǎn)生的。多個機器人主體具有共同的目標(biāo),完成相互關(guān)聯(lián)的動作或作業(yè)。MARS的作業(yè)目標(biāo)一致,信息資源共享,各個局部(分散)動作的主體在全局前提下感知、行動、受控和協(xié)調(diào),是群控機器人系統(tǒng)的發(fā)展。 在諸多新型智能技術(shù)中,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別、檢測、控制和規(guī)劃方法的開發(fā)和應(yīng)用占有重要的地位?；趯＜蚁到y(tǒng)的機器人規(guī)劃獲得新的發(fā)展,除了用于任務(wù)規(guī)劃、裝配規(guī)劃、搬運規(guī)劃和路徑規(guī)劃外,又被用于自動抓取規(guī)劃。 3.采用模塊化設(shè)計技術(shù) 智能機器人和高級工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)要力求簡單緊湊,其高性能部件,甚至全部機構(gòu)的設(shè)計已向模塊化方向發(fā)展;其驅(qū)動采用交流伺服電機,向小型和高輸出方向發(fā)展;其控制裝置向小 型化和智能化發(fā)展,采用高速CPU和32位芯片、多處理器和多功能操作系統(tǒng),提高機器人的實時和快速響應(yīng)能力。機器人軟件的模塊化簡化了編程,發(fā)展了離線編程技術(shù),提高了機器人控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。 4.機器人工程呈上升趨勢 在生產(chǎn)工程系統(tǒng)中應(yīng)用機器人,使自動化發(fā)展為綜合柔性自動化,實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化和 機器人化。近年來,機器人生產(chǎn)工程系統(tǒng)獲得不斷發(fā)展。汽車工業(yè)、工程機械、建筑、電子和電機工業(yè)以及家電行業(yè)在開發(fā)新產(chǎn)品時,引入高級機器人技術(shù),采用柔性自動化和智能化設(shè)備,改造原有生產(chǎn)手段,使機器人及其生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展呈上升趨勢。 國內(nèi)近年來在這方面也取得一些可喜成績。除了汽車車身的自動焊接生產(chǎn)線外,又在汽車車身自動噴涂線(二汽、南汽、哈爾濱飛機制造公司等)、柴油機整機自動噴涂線(山東濰坊柴油機廠)和建筑陶瓷自動噴釉線(山東濰坊建筑陶瓷廠)等加工過程中成功地應(yīng)用機器人。 5.微型機器人的研究有所突破 有人稱微型機器和微型機器人為21世紀(jì)的尖端技術(shù)之一。已經(jīng)開發(fā)出手指大小的微型移動機器人,可用于進入小型管道進行檢查作業(yè)。預(yù)計將生產(chǎn)出毫米級大小的微型移動機器人和直徑為幾百微米的醫(yī)療機器人,可讓它們直接進入人體器官,進行各種疾病的診斷和治療,而不傷害人的健康。 微型驅(qū)動器是開發(fā)微型機器人的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一。它將對精密機械加工、現(xiàn)代光學(xué)儀器、超大規(guī)模集成電路、現(xiàn)代生物工程、遺傳工程和醫(yī)學(xué)工程產(chǎn)生重要影響。微型機器人在上述工程中將大有用武之地。 在大中型機器人和微型機器人系列之間,還有小型機器人。小型化也是機器人發(fā)展的一個趨勢。小型機器人移動靈活方便,速度快,精度高,適應(yīng)于進入大中型工件進行直接作業(yè)。 6.應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)擴展 為了開拓機器人新市場,除了提高機器人的性能和功能,以及研制智能機器人外,向非制造業(yè)擴展也是一個重要方向。這些非制造業(yè)包括航天、海洋、軍事、建筑、醫(yī)療護理、服務(wù)、農(nóng)林、采礦、電力、煤氣、供水、下水道工程、建筑物維護、社會福利、家庭自動化、辦公自動化和災(zāi)害救護等。智能機器人在非制造業(yè)部門具有與制造業(yè)部門一樣廣闊和誘人的應(yīng)用前景。 7.行走機器人研究已經(jīng)引起人們的重視 目前運行的絕大多數(shù)機器人是固定式的,它們只能固定在某一位置進行操作,因而其應(yīng)用范圍和功能受到限制。近年來,對移動機器人的研究受到重視,使機器人能夠移動到固定式機器人無法到達(dá)的預(yù)定目標(biāo),完成設(shè)定的操作任務(wù)。 行走機器人是移動機器人的一種,包括步行機器人(二足、四足、六足和八足)和爬行機器人等。自主式移動機器人是研究最多的一種。自主機器人能夠按照預(yù)先給出的任務(wù)指令,根據(jù)已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃,并在行進過程中,不斷感知周圍局部環(huán)境信息,自主地作出決策,引導(dǎo)自身繞開障礙物,安全行駛到達(dá)指定目標(biāo),并執(zhí)行要求的動作與操作。 移動機器人在工業(yè)和國防上具有廣泛的應(yīng)用前景,如清洗機器人、服務(wù)機器人、巡邏機器人、防化偵察機器人、水下自主作業(yè)機器人、飛行機器人等。我國在移動機器人研究方面已取得了一大批成果,例如,面壁爬行遙控檢查機器人、主從遙控移動作業(yè)機器人、野外惡劣環(huán)境遠(yuǎn)距離遙控檢測機器人、水下自主機器人和飛行機器人(預(yù)研等)。 三、發(fā)展對策 考慮到國內(nèi)外機器人技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,在認(rèn)真學(xué)習(xí)和研究了許多專家的意見之后,特就我國發(fā)展機器人(尤其是智能機器人)的對策,發(fā)表一孔之見,供大家討論和決策者參考。 1.進一步端正對發(fā)展機器人的認(rèn)識 在80年代中期,經(jīng)過熱烈討論,對于我國是否需要發(fā)展機器人技術(shù)取得一些共識。經(jīng)過近十年之后,我國機器人技術(shù)的現(xiàn)狀并不能令人滿意。盡管取得了一大批比較重要的成果,縮短了與國際先進水平的差距,但仍未能形成大型的機器人產(chǎn)業(yè),機器人的產(chǎn)量、裝機臺數(shù)和市場需求在國際上仍無足輕重,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后在先進工業(yè)國家之后。這種現(xiàn)狀不能不引起我們的反思:是我國現(xiàn)在不需要機器人,或是我國現(xiàn)階段無力發(fā)展機器人?是認(rèn)識不足,投入不足,或是努力不夠? 如果對發(fā)展機器人(包括智能機器人)技術(shù)有了正確的認(rèn)識,那么就必須解決下列問題: ·明確的發(fā)展目標(biāo)、戰(zhàn)略和政策。 ·正確的實施方案和嚴(yán)密的管理措施。 ·足夠的資金投入。 ·民主和公正的科技環(huán)境,最大限度地調(diào)動研究人員的積極性和創(chuàng)造性。 恐怕現(xiàn)在沒有多少人反對發(fā)展我國的機器人技術(shù)。不過,是小搞或大搞,看法就不同了。看來,小搞跟不上形勢要求和建設(shè)需要,大搞又缺乏條件,力不從心。在已有基礎(chǔ)上,進一步解放思想,擬訂一個積極而又可行的機器人產(chǎn)業(yè)化計劃,已勢在必行。其中,政府主管部門的作用是關(guān)鍵的。 2.并行開發(fā)工業(yè)機器人和特種機器人 我國工業(yè)機器人已有初步基礎(chǔ),形成了一定的生產(chǎn)能力,今后要進一步調(diào)整與發(fā)展。要并行發(fā)展工業(yè)機器人和特種機器人,并以開發(fā)特種機器人作為一個時期內(nèi)的主攻方向之一。 開發(fā)有害環(huán)境下的高級機器人,用以代替工人從事繁重、骯臟和危險的工作,如高溫、高空、有毒、易爆、惡臭、放射性和高粉塵等環(huán)境以及搬運、裝卸、清洗等繁重作業(yè)。 開發(fā)護理機器人,為病人服務(wù),為千百萬殘疾人員提供幫助,減輕他們的痛苦,提高他們的自理能力,甚至使他們重返勞動崗位。 開發(fā)外科手術(shù)機器人和疾病診斷機器人(如微型診斷機器人),用于治療一些內(nèi)科疾病而無需開刀手術(shù)。 開發(fā)服務(wù)機器人,讓機器人執(zhí)行導(dǎo)游、娛樂(歌舞)、招待、售貨掃地和洗碟等任務(wù),為提高人類的生活質(zhì)量服務(wù)。 開發(fā)水下機器人和海底采礦機器人,為海洋工程和采礦工業(yè)作貢獻。 3.培育與開拓國內(nèi)機器人市場 雖然我國目前的機器人市場不大,但其潛在市場卻很大。汽車、工程機械、電子、電機和金屬加工等工業(yè)仍是應(yīng)用機器人的主要部門。在這些部門,機器人的裝機臺數(shù)與實際需要相差甚遠(yuǎn),有很大的市場。對于建筑、包裝、空間、海洋、采礦(含海底采礦)、電力、農(nóng)林和醫(yī)療等新的領(lǐng)域,機器人市場也是很大的。只要用得成功,就比較容易推廣應(yīng)用。擴大機器人的應(yīng)用領(lǐng)域是開拓國內(nèi)機器人市場的必要舉措之一。 開拓國內(nèi)機器人市場的另一重要舉措是出臺扶植機器人產(chǎn)業(yè)的優(yōu)惠政策。這些政策包括在新生產(chǎn)線建設(shè)、舊設(shè)備技術(shù)改造、貸款和稅收等方面的政策與法規(guī)。對這一傾斜政策的呼吁已有多年,然而至今仍沒有引起有關(guān)部門的足夠重視與采納。如果我們能夠借鑒國外成功的經(jīng)驗,出臺扶植政策,鼓勵在惡劣工況、新建生產(chǎn)線和改造舊設(shè)備、舊工藝中使用機器人,那么機器人的推廣應(yīng)用環(huán)境就會寬松得多。 4.建立機器人產(chǎn)業(yè)集團,形成規(guī)模生產(chǎn) 在已有機器人研究單位和生產(chǎn)廠家的基礎(chǔ)上,規(guī)劃調(diào)控,優(yōu)化組合,籌建中國機器人產(chǎn)業(yè)集團和機器人工程公司,形成生產(chǎn)、供銷、應(yīng)用、維修一條龍體系。 工業(yè)機器人的普遍應(yīng)用,工業(yè)機器人裝機臺數(shù)的大幅度增加,必將為我國智能機器人的發(fā)展打下牢固的物質(zhì)基礎(chǔ)。同時,已經(jīng)取得的智能機器人研究成果,要盡快地轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力,為機器人產(chǎn)業(yè)集團提供新技術(shù)、新設(shè)備和新方法。工業(yè)機器人與智能機器人的發(fā)展應(yīng)當(dāng)是互為促進的,而不應(yīng)當(dāng)是互為矛盾的。隨著時間的推移和技術(shù)的發(fā)展,智能機器人技術(shù)將成為機器人產(chǎn)業(yè)集團關(guān)注和開發(fā)的主要技術(shù)。 5.開展國際技術(shù)合作 任何高新技術(shù)的發(fā)展都應(yīng)盡可能開展國際合作研究和國際工業(yè)技術(shù)合作,而不要采取"閉門造車"的做法。機器人技術(shù)只有走國際技術(shù)合作之路才能有更大、更快的發(fā)展。 通過國際合作,能夠提高我國開發(fā)和生產(chǎn)機器人及其系統(tǒng)的能力,提高國產(chǎn)機器人的性能和可靠性,降低生產(chǎn)成本和銷售價格,建立具有國際水準(zhǔn)的我國機器人產(chǎn)業(yè),讓高性能、低成本的國產(chǎn)機器人占領(lǐng)國內(nèi)市場。如果不這樣做,國產(chǎn)機器人的性能和可靠性將難以保證,目前的國內(nèi)機器人市場只好讓外國機器人公司占領(lǐng)。除了與外國政府管理部門和研究組織訂立合作研究計劃外,更要尋找產(chǎn)業(yè)合作伙伴,在中國建立中外合資機器人公司,并讓在中國生產(chǎn)的高質(zhì)量機器人進入國際市場,參與國際市場競爭。 在開展國際技術(shù)合作和交流時,必須注意引進技術(shù)和資金,千萬不要單純引進機器人?；蛘?更明確地說,不要把國際技術(shù)合作變?yōu)閱我坏脑谖覈N售外國機器人產(chǎn)品。如果只搞銷售,那么無異于把中國的機器人市場讓給外國公司,這當(dāng)然是不可取的。 6.重視基礎(chǔ)研究,加大技術(shù)儲備 我國對機器人技術(shù)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究已取得令人矚目的成就,已為發(fā)展工業(yè)機器人和智能機器人儲備了許多重要的技術(shù)。我們有必要繼續(xù)跟蹤國際先進的機器人技術(shù),同時,更要注意創(chuàng)新,創(chuàng)立自己的特色,在某些項目上力爭真正達(dá)到國際先進水平或國際領(lǐng)先水平。 為了加大技術(shù)儲備,特別需要加強機器人學(xué)基礎(chǔ)研究,重視基礎(chǔ)件的開發(fā)。 7.穩(wěn)定和擴大研制隊伍 發(fā)展我國的機器人技術(shù)要一靠政策,二靠投入,三靠隊伍或人才?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力,而人才是第一生產(chǎn)力中最積極和最重要的因素。 我們已經(jīng)造就了一大批從事機器人技術(shù)研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的人才。從發(fā)展的角度看,這支隊伍還不夠大,也不夠強,需要繼續(xù)鍛煉,發(fā)展壯大,保持機器人研制隊伍的相對穩(wěn)定,讓他們的聰明才智為發(fā)展我國的機器人事業(yè)服務(wù),我們還要制訂必要的政策,吸引在機器人技術(shù)方面學(xué)有所長的留學(xué)人員回國服務(wù)。 要對使用機器人單位的技術(shù)人員和操作工人進行必要的技術(shù)培訓(xùn),使他們熟練掌握有關(guān)機器人技術(shù),保障機器人及其系統(tǒng)的正常運行。這支隊伍的穩(wěn)定也是不容忽視的
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